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-1-第一章绪论第一节设计与文明劳动→劳动能力、思维能力→创造性设计的能力设计：通过制作使产品得以实现思维能力具有创造性制作技能（建筑物的基础工程，桥梁、建筑等大型基础工程，挖掘机与汽车的行走系统）第二节设计与国家竞争力英、德、美、苏、日第三节改善设计工作对我国的重要性制造大国与制造强国第四节设计与科学研究科学研究：求知欲与好奇心——发现自然规律设计：需求——发明新产品第五节近代设计科学的重大发展一、“设计学”从古代到现代的三个发展阶段阶段1：为“功能”目标而发明某种器械阶段2：以经典力学为基础发展的机械设计体系，包括机械原理和机械零件。运动学——动力学。阶段3：回归“功能”二、近代“设计学”的重大发展1、“功能”(Function)思想的提出和发展2、“人机学”(Ergonomics，HumanFactor)思想的形成和发展3、“工业设计”(IndustrialDesign)学科体系的发展相成熟以上三项是近代设计学发展的核心内容。-2-同时：CAD/CAM技术、可靠性技术、有限元、优化、并行工程等。三、“机械设计学”的学科组成机械设计学学科体系包括以下三方面：(1)功能原理设计(2)实用化设计(3)商品化设计船用抽水机功能原理构思（图略）第六节机械设计概述1、机械是机器和机构的统称。2、“设计”是把各种先进技术成果转化为生产力的一种手段和方法。它是从合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。3、由想法到产品的过程机械产品设计的一般过程：认识需求→目标界定→问题求解→分析选优→评价决策→表达→实现机械设计特点：(1)多解性；(2)系统性；(3)创新性。第七节机械设计的类型适应性设计、变型性设计、创新性设计第八节概念设计第九节“设计过程”研究及其新发展设计过程、并行工程、协同设计、集成设计第十节质量功能配置(QFD)和质量屋(HouseofQuality)质量屋”是质量功能配置（QFD）的核心QFD是一个非常结构化的、矩阵驱动的过程，其运行包括4个阶段：（1）将顾客需求转化产品特性-3-（2）将产品特性转化成零件特性（3）将零件特性转化成关键工艺操作（4）将关键工艺操作转化成生产要求-4-第二章机器的组成及典型机器的功能分析1.机器的定义有两个或两个以上相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，能将某种原动力和运动转变，以执行人们预期的工作，在人或其他智能体的操作或控制下，实现位置设计的某种或几种功能。2.机器的组成2.1原有观点2.2从不同的角度看从机构学的角度看：各种基本机构，自由度=原动机数从结构学的角度看：各种基本零件从专业的角度看：各种主要部件2.3从功能的观点看3.机器的分类按行业按轻重按功能机器（总功能）分功能系统1分功能系统i分功能系统n工作机传动机工作头执行机构原动机控制器…………-5-4.典型机器的功能分析之一——家用缝纫机（略）5.典型机器的功能分析之二——点钞机（略）机器工艺类机器加工机床通用机械食品机械动力机械医疗机械起重运输机械机密机械…………非工艺类机器纺织机械印刷机械-6-第三章机械产品的功能原理设计功能原理设计：针对主要功能的原理性设计。功能原理设计重点：尽量使思维尽量“发散”，力求多解，便于选优。为什么要突出功能原理设计：功能原理设计对产品的成败起决定性作用。任何一种机器的更新换代都存在三个途径：一是改革工作原理；二是通过改进工艺、结构和材料提高技术性能；三是加强辅助功能使其更适应使用者的心理。第一节功能原理设计的工作特点和工作内容用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。手动变速箱（图略）液力变矩器原理（图略）转矩传递过程：（1）泵轮转动，涡轮不动。（2）泵轮与涡轮转速差较大时，形成涡流。（3）泵轮与涡轮转速接近时，形成环流。磁带机（图略）无人驾驶小车（图略）构思新原理的步骤：1、明确功能目标：装设导向系统的费用要小；允许扩充和调整设备，变动运输路线；在拥挤的工作环境中小车能灵活运行。2、提出的原理性设想：应用惯性导航技术，利用所设参考点用于制程序给出理论轨迹并作轨迹误差的修正；应用传感器引导绕过障碍物；在共建转接战上用超声波定向，使小车实现准确定位。第二节功能、功能单元和功能结构-7-什么是功能：某一机器(或装置)所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性。系统工程学的观点：一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入量和输出量之间的相互转换的关系。系统工程学：用“黑箱”描述技术系统的功能设计者的任务：使“黑箱”变成“白箱”：获得一个完美的机械产品，实现预定的功能。任何技术系统都可以视为三种流的处理系统：能量流、物料流、信息流。硬币计数包卷机外形图（图略）功能单元：将总功能分解成较为简单的、具有一定的独立性、可以直接求解“功能单元”，也称“功能元”。直接实现总功能的各分功能称为一阶分功能；实现一阶分功能的分功能称为二阶分功能，并以此类推。分解到末端的为功能元。硬币计数包卷机功能分解图（图略）功能结构机器（总功能）分功能系统1分功能系统i分功能系统n工作机传动机工作头原动机控制器…………执行机构技术系统信息流S（进行能量流E的转换)物料流M输入(IN)输出(OUT)信息S能量E物料MS’E’M’（黑箱）（BLACKBOX)-8-功能结构图：用来表示各分功能之间关系的框图。功能分析：由总功能分解为分功能，最后作出功能结构图。也可称为“系统分析”。用功能树法进行露天矿开采挖掘机的方案设计（略）功能元组合：相容矩阵法露天矿开采挖掘机黑箱示意图（图略）第三节功能原理的发展历史及基本类型功能原理设计的两个工作特点：1、功能原理设计是一种综合，无定法可循。2、功能原理设计所要求解的问题是有多解的问题，即既不是只有唯一解，也不是绝对无解，而且也很难得到绝对理想的解。功能原理分类：动作功能、工艺功能根据功能的技术特点分类：综合技术功能：综合运用机、光、电、磁、热、化……各种“广义物理效应”（非纯机械）去实现各种动作功能和工艺功能。“关键技术”（“KnowHow”）：某个企业或部门独有的技术，暂时还没有被别人掌握。磁记录的记录方式示意图（图略）功能类型总结：第四节两种动作功能及其对应的求解思路类型：简单动作：一次性动作复杂动作功能类型动作类工艺类简单动作功能复杂动作功能工艺功能关键技术功能综合技术功能（纯机械）（广义物理效应）-9-第五节工艺功能及其对应的求解思路工艺功能：工件头和工作对象相互配合，实现一种功能。两个重要因素：（1）采用哪种工艺方法（2）工作头采用什么形状和动作工艺功能的特点：工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。犁的工作曲面，绞肉机，水刀切割工艺，家用切碎机，电火花加工原理图，电火花线切割原理图（图略）物一场分析法：S：对象或物体(Substance)。主体(S1)，客体(S2)F：场，这不单指某种物理场，而是广义地指S1向S2作用时发出的力、运动、电磁、热、光……一切作用场。“最小技术系统”：在任何一个最小技术系统中，至少有一个主体(S1)，一个客体(S2)和一个场(F)。缺一即不可能发生技术作用。用S—Field模式探求工艺功能原理的解法：寻求合理的F和S例：为了完成修剪草地的任务，如何构思剪草机的工作原理?在这个问题里，S2是草地上的草。剩下的问题是寻找合适的F和S1了。首先要寻找各种可能被利用的F并加以分析和比较：拉力——可以拉断草，但无法控制被拉断的草的高度，无法使草地整齐。割断力——像农夫割麦一样，需要握住草的上部才能割断。剪断力——利用剪刀刃合拢，可以剪断。显然，人们常常选择剪断力作为理想的F，当然S1就只能是剪刀可以通过“完善”、“增加’’和“‘变换”的方法来寻求新的解法。1．完善：原设计中有时出现缺少F或S1的情况并因此而造成功能不良的后果。应该通过补全F或S1的措施来使S—Field模式完善化。2．增加：一个最小技术系统至少应具有S1、S2和F，但有时还应辅以S’1和F’，才能更好地完成希望实现的功能。3．变换：对已有工艺功能解法中的S1和F进行分析后，常常可以发现它们并非是不可替换的。有时通过变换可能会产生意想不到的好效果。-10-焊接：气焊、电焊、摩擦搅拌焊、超声波焊（图略）第六节关键技术功能、综合技术功能及其求解思路一、关键技术功能（1）材料：例如高强度、高耐磨性、特殊的润滑油、特殊轻质材料(例如复合材料)、特殊物理性能要求等。（2）制造工艺：高精度、小的表面粗糙度、高的热处理要求……。（3）设计：通过设计实现特殊的功能原理，尤其是实现以前从未有人实现过的功能或是比别人已经实现的功能更好的功能水平。存储技术：穿孔纸带、磁盘、磁带机、闪存、硬盘、微硬盘、光盘（图略）关键技术的求解思路：“技术矛盾分析法”机电控制人工假手（图略）解决思路：在传动路线上再串接一套减速比i2＝10的减速装置，然后通过两个联动的切换开关来操作。从不同的角度分析技术矛盾，则可以得到不同的分析结果，并可导出另一些解法。解决关键技术功能的特点：用常规技术或已有技术难以达到的技术难点，或是别人目前尚难以实现的技术高度、总的来说它的技术要求高，而解决的方法也往往是出奇制胜。二、综合技术功能1、动作功能高速平面电机式自动绘图机（略）2、工艺功能：非机械的工作头连杆头的爆炸切断工艺（图略）综合技术功能的特点：在某些特定的条件下、采用广义物理效应。综合技术功能的求解思路：物理效应引入法。在人工脏器的设计中，需要一种微型液体泵来帮助体液循环。以前这种泵都是用微型电动机带动微型机械泵来工作的。由于存在磨损等机械问题，效果不理想。有一位生物医学专家想出了用金属的热膨胀效应来做体液泵，效果很理想。用石英晶体振荡器控制的电磁摆来代替机械游丝摆制成的石英电子钟表，也是运用物理效应-11-引入法的很典型的例子。在润滑油中添加某些成分，就有可能使这种油在高压或电场中产生特殊的性能(如粘性变大等)。在机械传动中已经在利用这些新效应。近年出现的“机电一体化”或“机械电子学”，就是引入微电子技术和计算机技术的产物，它是物理效应引入法中一个较突出的成功的例子。第七节功能原理设计的工作要点1．明确所要设计的任务的功能目标，提出具体问题肌电假手：①手指应能实现0.5rad／s的抓握运动速度，以模仿人手的真实运动。②手指触物后，应能产生50N左右的捏紧力，以满足实际工作的需要。③所用微型电动机需在假手掌心中放置，故其外径应不大于￠20mm。④传动机械的效率应足够高，以保证充电电池至少能工作1天。2．调查、分析已有的解法原理，供设计时参考手的结构，牵引式假手，大脑控制假手，德国OTTOBOCK公司产品3．进行创新构思、寻求更合理的解法原理设计者应该有一个信念：现有的产品决不是顶峰，肯定还会有更好的设计出现。要争取由自己推出新一代的创新产品。设计者应重视基本科学知识的积累，避免陷入一些违反基本科学原理的“错觉”。例如，有人设计了一种机械式的“功率增大器”，认为能把小功率输入变为大功率输出，他采用了一种特殊的行星齿轮传动方式来实现他的理想。当然，他所作的原理设计中存在着基本力学知识上的错误。4．初步预想实用化的可能性大量例子说明一个好的原理构思最后不能成为产品。在专利文献中有大量的专利都没有能够成为有用的技术。其中部分的原因就是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理的解决。这充分说明创新构思时要粗略考虑一些主要的结构工艺问题。5．认真进行原理性试验这是功能原理设计阶段的最后一步，也是最重要的一步。在进行创新构思时，尽管反复检验过他的发明原理。但是实际做一下试验，往往会出现意想不到的问题。例如在假手的原理试验时，发生手指捏紧后的反弹松脱现象，令人百思不得其解，不知是何-12-原因。后来才弄清楚，这是在切换时有一瞬间出现了两个离合器同时处于脱开的状态。使得手指失控，造成反弹松脱。找到了原因，才采取了相应的措施，解决了上述反弹问题。6．评价、对比、决策必须要根据实验的结果进行评价和对比，从技术和经济两方面的对比结果来做出决